Science子刊：利用细菌生物被膜开发可持续性半人工光合体系

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院钟超课题组在 Science 子刊 Science Advances 上发表了题为：Photocatalyst-mineralized biofilms as living bio-abiotic interfacesfor single enzyme to whole-cell photocatalytic applications 的研究论文。

该研究利用工程改造的大肠杆菌生物被膜原位矿化作用，构建了一个全新的生物-半导体兼容界面，并基于此实现了从单酶到全细胞尺度上可循环光催化反应，为可持续半人工光合体系的构建提供了一种新的思路。

随着全球能源和环境问题的不断加剧，可再生清洁能源的开发，特别是太阳能的转化利用吸引了全球研究人员的关注。半人工光合作用是近年来诞生的新兴研究领域，结合生物体系的高产物选择性和半导材料的优异吸光性，能够实现太阳能驱动的燃料分子和化学品生产（例如利用光能驱动二氧化碳固定生成化学分子）。

为在微纳尺度实现细菌和半导体材料的界面整合，当前通常的方法是将半导体纳米材料固定在细菌的外膜表面或通过细菌内吞作用实现半导体材料和胞内酶的接触。然而由于细胞和半导体材料直接接触，光照下半导体材料的光生空穴对细胞将造成永久性损害，从而严重影响反应体系的稳定性和可循环利用性。因此，如何构建牢固、友好的生物-半导兼容界面一直是该领域的重要挑战之一。

细菌生物被膜在自然界中普遍存在，由细菌及其分泌的胞外基质共同组成。大肠杆菌生物被膜具有自再生、自适应以及环境耐受等优点，其生物被膜的蛋白成分主要由淀粉样蛋白curli纤维组成，易于基因工程改造。基于细菌生物被膜，课题组前期开发了智能活胶水和光控梯度活体功能材料等多种活材料并实现了包含生物催化和生物修复等领域的应用。

基于生物被膜的可工程改造以及环境耐受等特性，课题组在本项目中提出利用大肠杆菌生物被膜构建生物-半导体界面，将半导体纳米材料和细菌进行物理分隔，从而避免半导体材料和细胞的直接接触并降低半导体材料对细胞的损害，最终发展一种具有可持续性特征的半人工光合作用体系。

在具体的研究当中，研究人员首先对CsgA进行了合成生物学改造，将矿化短肽A7和CsgA蛋白融合表达并分泌，赋予生物被膜原位矿化的能力。如图1所示，通过在生物被膜表面原位矿化CdS纳米颗粒，获得了光催化剂矿化的生物被膜。结合纯化的异亮氨酸脱氢酶或胞内表达的甲酸脱氢酶，可以实现从单酶到全细胞的光催化反应体系。